Termowizja

Termowizja to technologia, która znajduje coraz większe uznanie i coraz powszechniejsze zastosowanie w działaniach straży pożarnych.

Znana jest ludziom od kilku dekad. Postęp technologiczny, miniaturyzacja i rozwijanie możliwości obrazowania czynią jednak termowizję coraz bardziej nieodzownym narzędziem we współczesnym ratownictwie. Czasem nawet poznając możliwości tej technologii i usprawnienia wynikające z jej stosowania, strażacy wręcz nie wyobrażają sobie pracy bez niej. Toteż całkiem słusznie zaczynają się pojawiać głosy mówiące o konieczności posiadania kamer termowizyjnych w każdej JRG i na każdym stanowisku kierowania (KM, KW czy KG), dostępnych dla grup operacyjnych. Skoro jednak mówimy o co najmniej kilkuset urządzeniach w skali kraju i wejściu termowizji do kanonu narzędzi podstawowych, to czy wiemy wystarczająco dużo, aby wybrać odpowiednią kamerę, a potem skutecznie wykorzystywać jej możliwości?

Wedle nazewnictwa naukowego proces obrazowania w paśmie podczerwieni o średniej długości fal (zakres 9 do 14 μm) nazywamy termografią. Owa technologia pozwala na odbiór promieniowania cieplnego, które emitują wszystkie ciała, a następnie zamienia promieniowanie na obraz podobny do fotografii. Ze względu na to, że oko ludzkie najlepiej odbiera kontrasty w odcieniach szarości, właśnie taki wzór kolorystyczny mają termogramy, czyli obrazy z termowizji. Jest to też wymogiem stawianym przez jeden z nielicznych na świecie standardów (o ile nie jedyny) - NFPA 1801, opisujący kamery termowizyjne dla straży pożarnych.

Do zadań specjalnych

Jakie więc powinny być kamery dla strażaków? Każdy czytelnik na pewno zna stwierdzenie „strażakoodporne”. Czy istnieje taka kamera termowizyjna? Urządzenie elektroniczne potrafiące wytrzymać traktowanie ogniem i wodą, zabrudzenie, uderzenia mechaniczne itd.? Charakter strażackich akcji powoduje, że kamera na pewno zostanie zalana, nagrzana, rzucona, nadepnięta, spadnie z wysokości i będzie pracowała w zapyleniu. Czy jakiekolwiek urządzenie elektroniczne jest w stanie wytrzymać takie warunki?

Wspomniany standard NFPA 1801 od wielu lat stawia coraz bardziej wygórowane wymagania kamerom przeznaczonym dla strażaków. Nie jest on wprawdzie w Polsce wymogiem, stanowi jednak dobry punkt odniesienia podczas oceny faktycznej użyteczności danego urządzenia i pomaga zwrócić uwagę na istotne aspekty funkcjonalności. Trzeba zaznaczyć, że na rynku można znaleźć kamery spełniające wymogi tego standardu lub wykonane zgodnie z jego postanowieniami, na co warto zwrócić uwagę przy wyborze kamery. Obecnie produkowane kamery na mocy wspomnianego dokumentu oraz przyjętych standardów mają na ogół wymienione poniżej cechy:

• charakteryzują się podobną funkcjonalnością, niezależnie od producenta,
• mają duży zielony przycisk zasilania (łatwy do zidentyfikowania, wyróżniający się pośród pozostałych przycisków),
• umożliwiają zaczepienie ich do ubrania strażackiego lub innego elementu,
• można nimi operować w rękawicach pożarniczych za pomocą jednej ręki,
• wyświetlają obrazy w trybie odcieni szarości (uproszczony tryb obrazowania), zapewniając podstawowe informacje i prosty, szybki odczyt,
• wykorzystują odcienie kolorów: czarnego (szarości), żółtego, pomarańczowego oraz czerwonego,
• mają ikonę ostrzegającą przed przegrzaniem i następującym wówczas wyłączeniem kamery,
• zawierają skalę kolorystyczną do szacowania wartości numerycznej temperatury,
• powinny mieć obudowę zapewniającą stopień ochrony na poziomie IP 67 (pyłoszczelna, odporna na zanurzenie w wodzie do 30 min), w przeciwnym razie mogą wystąpić przeciwwskazania do używania ich w środowisku pracy, z którym spotykają się strażacy,
• zależnie od modelu kamery mogą mieć tryb rozszerzony (plus mode), oferujący dodatkowe funkcjonalności.

Standard NFPA przewiduje dosyć gruntowny sprawdzian trwałości wykonania urządzenia. Testowana jest jego wytrzymałość w wysokich temperaturach. Wykonywana jest też próba ogniowa (ekspozycja na płomień palnika), test wytrzymałości na uderzenia i wibracje oraz test upadku z wysokości na betonową podłogę. Kamera jest testowana poprzez zanurzenie w wodzie (test na wodoszczelność), sprawdzana jest także jej odporność na korozję. Wymagania stawiane są również wyświetlaczom (odporność na przetarcia powierzchni i rysy) oraz etykietom i oznakowaniom, które muszą mieć odpowiednią trwałość. Sprzęt powinien także zapewniać łatwe i komfortowe chwytanie w rękawicach pożarniczych z pozycji wiszącej (przy wykorzystaniu retraktora lub paska do wieszania na szyi albo na ramieniu). Jednocześnie zapewnia to m.in. możliwość łatwego przekazywania kamery innemu operatorowi. Kolejnym elementem ułatwiającym współpracę i poprawiającym ergonomię jest rękojeść, dzięki której unika się między innymi trzymania ręki wysoko, w wymuszonej i męczącej pozycji.

Wśród cech ułatwiających użytkowanie z pewnością znajdzie się duży ekran, wysoka rozdzielczość czy możliwość robienia zdjęć i/lub nagrywania filmów, co pozwala na lepszą analizę zdarzeń lub ćwiczeń. Z tego właśnie powodu trenażery dostarczane właśnie do lokalizacji na terenie całego kraju zostały wyposażone w kamery termowizyjne z możliwością rejestracji przebiegu ćwiczeń, a w programie szkolenia wpisano zapis przebiegu scenariuszy i analizę wybranych fragmentów w celu doskonalenia technik pracy strażaków.

Dosyć ważnym elementem ergonomii pracy jest możliwość patrzenia na ekran kamery na wysokości wzroku. Niektóre kamery nie dają takiej możliwości, co czyni pracę z nimi mniej ergonomiczną. Utrudnia to również, a czasem wręcz uniemożliwia, zastosowanie zalecanej techniki pracy, polegającej na skanowaniu badanej przestrzeni bez pominięcia pewnych obszarów z powodu ograniczonego pola widzenia kamery termowizyjnej (parametr o nazwie: FOV, field of view). Pole widzenia jest ważnym parametrem - wpłynie ono bardzo na wygodę pracy, a także zdolność do skutecznego przeszukania obszarów silnie zadymionych bez ryzyka przeoczenia pewnych pól. Pole widzenia człowieka wynosi około 270°. Oznacza to, że kamera termowizyjna pokazuje nam zaledwie jedynie część tego, co widzimy naturalnie za pomocą wzroku. Kamery strażackie charakteryzują się polem widzenia rzędu 37° w pionie oraz 50° w poziomie. Niektóre urządzenia oferowane obecnie strażakom mają dosyć mały zakres widzenia, co znacznie wpływa na ich funkcjonalność podczas działań w całkowitym zadymieniu (ryzyko przeoczenia niewielkich obiektów: mała ręka dziecka, butla z gazem w pobliżu ogniska pożaru itd.). Tego typu elementy należy rozważać na etapie decyzji o zakupie konkretnej kamery i zdecydowanie cena nie może odgrywać tu decydującej roli!

Można zatem zaryzykować stwierdzenie, że środowiskiem stawiającym najwyższe wymagania strażackim kamerom będzie środowisko pożaru wewnętrznego. Kamera spełniająca te wymagania będzie zatem najbardziej uniwersalnym narzędziem, w jakie warto zainwestować.

Kamery termowizyjne mają najczęściej dwa tryby czułości. Tryb wysoki, do pracy z niższymi temperaturami, pozwala na obrazowanie większej liczby szczegółów w otoczeniu niższych temperatur (do około 150°C). Tryb niższej czułości, przeznaczony do obrazowania środowiska o wyższych temperaturach, włączy się automatycznie w momencie wypełnienia obrazu gorącymi obiektami i pozwoli na ich lepsze rozróżnienie. Zazwyczaj tryb ten umożliwia obrazowanie obiektów o temperaturze niższej niż 1000°C (w praktyce około 700°C). Zmiana trybów jest zauważalna poprzez nagłą (skokową) zmianę kolorów i odcieni na wyświetlaczu. Dodatkowo w lewym górnym rogu pojawia się trójkąt, który pozostaje tam przez cały czas pracy kamery w tym trybie. To ważna informacja, bowiem interpretacja obrazu z kamery musi uwzględniać również tryb pracy. Dodanie trzeciego trybu pracy (powyżej 1000°C) wcale nie jest korzystne, bowiem kamera termowizyjna nie jest termometrem i nie powinna być tak traktowana. Jest narzędziem, które w wyniku szeregu procesów upraszcza i uśrednia informację, przekładając ją na szacowaną temperaturę. Również odczytanie konkretnej wartości temperatury z wyświetlacza nie powinno być głównym celem, bowiem ta wartość dotyczy małego obszaru położonego w centrum ekranu, oznaczonego krzyżykiem lub rombem (lub w innych trybach wyświetlania - np. tryb najgorętszy punkt - za pomocą dodatkowego punktu pomiarowego pojawiającego się na wyświetlaczu). Zatem wyższa wartość górnej granicy zakresu pomiarowego nie jest kluczowym parametrem. Dodatkowo niska czułość, załączająca się przy wypełnieniu obrazu obiektami o tak wysokiej temperaturze, spowoduje niską dokładność wyświetlania i zlewanie się obiektów oraz „ślepotę” kamery na obiekty o znacznie niższej temperaturze. Może to być powodem przeoczenia istotnych detali.

Kolejny ważny parametr związany z charakterystyką wizualną obrazu to częstotliwość odświeżania. Aby kamera pracowała w sposób płynny dla ludzkiego oka, parametr ten powinien wynosić więcej niż 30 Hz, czyli więcej niż częstotliwość widzenia dla zmysłu wzroku ludzkiego. Niższe wartości powodują brak płynności obrazu. Wartość 60 Hz zapewnia wysoki komfort pracy.

Typy kamer

Nie każda kamera termowizyjna sprawdzi się w każdej sytuacji. Rozróżniamy ich dwa główne typy:

• sytuacyjne (situational awareness), czyli pomagające utrzymać orientację sytuacyjną, wspierające przeszukanie;
• taktyczne (tactical decision-making), czyli pozwalające podejmować decyzje taktyczne na podstawie dokładnych i wyraźnych termogramów oraz obserwacji zjawisk konwekcyjnych.

Tego podziału zaczęli dokonywać sami producenci, na potrzeby wewnętrzne, natomiast jako pierwszy w sposób merytoryczny i metodyczny zaczął go omawiać Andrew Starnes, oficer straży ze Stanów Zjednoczonych, jeden ze współtwórców niezwykle interesującego projektu badawczego Kill The Flashover. Projekt ten opiera się na badaniu, rozumieniu i doskonaleniu trzech filarów działań podczas pożarów wewnętrznych: zarządzania przepływami, termowizji oraz dodatków do wody poprawiających jej skuteczność gaśniczą. Osoby zainteresowanie zgłębieniem tej tematyki zapraszamy już dziś na VI Międzynarodową Konferencję „Pożary wewnętrzne” w Olsztynie (17-18 września), gdzie Andrew Starnes wygłosi prelekcję oraz przeprowadzi pokazy praktyczne.

Wracając do podziału urządzeń: kamery sytuacyjne są mniej skomplikowane i mają niższe parametry. Są przez to tańsze, ale sprawdza się tu uniwersalna zasada - dostajesz to, za co płacisz. Kamery taktyczne z kolei, bardziej zaawansowane, mają ujednolicony sposób wyświetlania informacji. Pokazują stan naładowania baterii na dole ekranu, pasek temperatur w bocznej części (prawa strona) czy wynik pomiaru temperatur mierzony w punkcie centralnym oznaczonym symbolem (krzyżyk, romb itp.). Do tego w górnym lewym rogu znajduje się informacja o trybie pracy (w trybie niższej czułości pojawia się zielony trójkąt). W momencie przegrzania na ekranie wyświetlane jest ostrzeżenie, że kamera wkrótce się wyłączy.

Na rynku pojawiło się sporo kamer sytuacyjnych: Flir K2, Scott Sight, Seek Thermal lub MSA ITIC. Niektóre są przeznaczone do trzymania w rękach, inne wkomponowane np. w aparat powietrzny butlowy lub nawet hełm (Rosenbauer Titan). Kamery te są bardzo różne pod względem budowy czy wielkości, niemniej jednak często mają zbliżoną funkcjonalność. Inne z kolei odstają od reszty, a wynika to głównie z tego, czy kamerę wykonano zgodnie z zapisami NFPA 1801, czy nie, nawet jeśli kamery sytuacyjne co do zasady nie są z owym standardem zgodne. Kamery sytuacyjne służą przede wszystkim zapobieganiu dezorientacji i są podstawowym wsparciem przeszukania. Z uwagi na stosunkową niską cenę są bardziej dostępne i istnieje większa szansa wyposażenia roty udającej się np. do wewnętrznych działań gaśniczych w tego typu urządzenie. Niemniej jednak należy bardzo świadomie podejść do możliwości tej kamery i cały czas mieć na uwadze wspomniany powyżej podział urządzeń według ich funkcjonalności. Kamera sytuacyjna nie będzie odpowiednia do rozpoznania warunków, przeszukiwania pomieszczeń i rozpoznania pod kątem operowania prądami gaśniczymi. Można wskazać trzy główne powody tego typu ograniczeń:

1. Niższa rozdzielczość, na ogół rzędu 160 x 120 pikseli (z wyjątkami, np. Flir K2). Daje to łączną liczbę około 19 000 pikseli na wyświetlaczu, podczas gdy wymagania stawiane kamerom przez normę NFPA 1801 (rozdzielczość 320 x 240) mówią o minimalnej liczbie pikseli rzędu 80 000! W efekcie patrzenie na obiekty z odległości większej niż około 2 m powoduje ograniczenie możliwości dostrzegania detali. Dla porównania, ten sam poziom detalu przy wykorzystaniu kamery z rozdzielczością 320 x 240 można dostrzec z około 4,5 ma. Dostrzeżenie nogi czy ręki osoby poszkodowanej lub zagrożenia z powodu obecności butli z gazem może być utrudnione, a to przecież zasadnicza różnica. Owszem, mieć kamerę sytuacyjną, a nie mieć żadnej to też zasadnicza różnica, niemniej jednak trzeba być bardzo świadomym zarówno możliwości, jak i ograniczeń posiadanego sprzętu.
2. Kolejnym parametrem, mocno połączonym z następnym, jest szybkość procesora i częstotliwość odświeżania obrazu. Większość kamer sytuacyjnych plasuje się pomiędzy 9 i 16 Hz. MSA ITIC osiąga wartość 30 Hz. Ludzkie oko widzi z częstotliwością rzędu 27 Hz. Herz to liczba klatek na sekundę. Obraz wyświetlany z częstotliwością mniejszą niż 30 Hz będzie zatem rozmywał się lub klatkował. Przy dynamicznych ruchach, jakie niemal zawsze towarzyszą prowadzeniu działań (w szczególności wewnętrznych działań gaśniczych) spowoduje to duże ryzyko przeoczenia istotnych elementów! W połączeniu z niską rozdzielczością będzie niemal zawsze wiązało się z niedokładnym przeszukaniem. Znając tendencję do całkowitego opierania się przez strażaków na wykorzystywanej technologii, niepoprawne wykorzystanie kamer sytuacyjnych może mieć fatalne skutki. Przeciwdziałać im można jedynie poprzez gruntowe przeszkolenie. Również wówczas, gdy kamera ma różne tryby czułości, wolny procesor potrzebował będzie nawet do 4 s na przełączenie trybu! W warunkach działań ratowniczo-gaśniczych jest to czas, którego strażak na ogół nie ma!
3. Z nielicznymi wyjątkami (Flir K2) kamery sytuacyjne mają małe ekrany. W tym przypadku także dostrzeżenie szczegółów będzie utrudnione lub niemożliwe. Wprawdzie wzmocnienie obrazu w niektórych kamerach (Flir, Bullard) może przeciwdziałać tym niepożądanym efektom, jednak ponownie należy zwrócić uwagę na krytyczne znaczenie dobrego wyszkolenia dla skutecznego korzystania z kamer termowizyjnych wszelkiego rodzaju.

Z powyższych przyczyn kamery sytuacyjne nie są zalecane do rozpoznania (w tym rozpoznania 360), podejmowania decyzji o możliwości wejścia do działań wewnętrznych, do przeszukania oraz do wsparcia operowania prądami gaśniczymi. Owszem, niektóre z nich mają lepsze parametry od pozostałych (wspomniany model K2), lecz są to wyjątki. Do czego zatem można używać kamer sytuacyjnych? Te urządzenia sprawdzą się doskonale do zapobiegania dezorientacji, a z uwagi na niższy koszt są łatwiej dostępne dla większej liczby strażaków. Mogą być też używane obok kamer taktycznych, gdzie dowódca dokona rozpoznania czy przeszukania, a strażak ze słabszą kamerą, pod kierunkiem dowódcy, wykona zlecone czynności, mając dodatkowe wyposażenie służące utrzymaniu orientacji.

Kamery sytuacyjne często wykorzystują różne palety kolorów, które mogą wprowadzać zamieszanie. Podstawowa paleta kolorów obrazująca obszary między zimnym a gorącym (czarny, szary, biały, żółty, pomarańczowy i czerwony) jest intuicyjna i znana. Inne palety mogą mylić i powodować podejmowanie błędnych decyzji. Dodatkowo dokładność ich pomiaru jest niska (współczynnik distance to spot, czyli odległość do wielkości punktu pomiarowego, wynosi 10:1 - im dalej od obiektu usytuowana jest kamera, tym większe pole mierzy i uśrednia), a pomiar dokładny tylko z bliska. Niemniej jednak dokładny pomiar jest mniej istotny niż możliwość identyfikacji obiektu.

Na koniec warto dodać, że z uwagi na ograniczenie pola postrzegania praca kamerą termowizyjną musi polegać na skanowaniu przestrzeni, a nie patrzeniu na dany punkt. Istnieją różne zalecane metody skanowania, opisane w literaturze, ale mają wspólne cechy - kamera skanuje warunki podsufitowe, następnie przestrzeń przed strażakami, a potem obszar przypodłogowy. Następnie zaleca się spojrzenie za siebie. Wykonanie skanu umożliwia przesunięcie się w kolejne miejsce i ponowne skanowanie. Taka metodyczna praca pozwoli na uniknięcie przeoczenia ważnych detali.

Istnieje dużo więcej informacji, które należałoby opisać, aby kompleksowo omówić zagadnienie, jednak nie sposób tego uczynić w ramach jednego artykułu. Nie ulega wątpliwości, że jedynie gruntowne przeszkolenie pozwoli uzyskać płynność i skuteczność w wykorzystaniu termowizji. Niech ten artykuł będzie zalążkiem i początkiem takiego szkolenia.

mł. bryg. Szymon Kokot-Góra jest p.o. zastępcą naczelnika ośrodka szkolenia KW PSP w Olsztynie